[發明專利]圓形雙壁鋼圍堰的參數化設計方法

有效

• 申請號: 201710048318.0
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106884434B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 曠新輝;李志剛;左生榮;謝東升;黃齊龍;尚宏艷;高龍;嚴厚濤;夏威
• 申請（專利權）人: 湖北省路橋集團有限公司
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20;E02D19/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 鄧佳

1.一種圓形雙壁鋼圍堰的參數化設計方法，包括：

(1)圍堰內外壁板加勁肋

圍堰內外壁板豎向加勁肋采用的三種材料：角鐵、鋼帶、球扁鋼；

彎壓構件翼緣板有效寬度和跨度之比為b＝18％*l；

加勁肋高寬比的比例極限為h/t'≤21；所有的軋制角鐵和球扁鋼都符合比例極限；

彎壓構件翼緣板有效寬度b與翼緣板厚度t之間滿足：

加勁肋的間距按照

環板和加勁肋高度的比值不小于2.5倍；

(2)圍堰構型

設圓形圍堰有n個V型撐，

(3)圍堰環撐受力分析

圍堰壁收縮延半徑方向變形協調

外壁節點力平衡2·N1·sin(φ)+2·N3·cos(α)＝P1 (b)

內壁節點力平衡2·N2·sin(φ)-2·N3·cos(β)＝P2 (c)

聯立(a)、(b)、(c)式求解N1、N2、N3：

考察(3)、(4)式，由于φ值很小，cos(α)≈cos(β)，可以認為N1≈N2，圍堰的內外壁受力基本一致，在擬定圍堰壁板厚度時按照內外壁板一致處理；

(4)圍堰內外壁厚擬定

圍堰內外壁板受力均為受壓，兩者受力基本一致，考慮材料安全系數K1，取1.4；

圍堰的內外壁板面積

圍堰內外壁板厚度

(5)圍堰厚徑比范圍擬定

(5.1)圍堰最小厚徑比m：

圍堰的雙壁板慣性矩I＝2·A·(0.5·m·R)² (b)

圍堰穩定性計算半徑r＝(1+0.5m)·R (c)

圍堰壁板面積

圍堰外壁的水壓荷載q＝ρ·g·H·ΔH (e)

考慮到鋼圍堰屬于重大危險源，建議彈性屈曲穩定系數選擇4～5，水深小于10m選4，10m以上選5，定義屈曲穩定系數為K2；

則q_cr≥K2·q (f)

將(b)、(c)、(d)、(e)代入(a)，并代入方程(f)，化簡得以下方程，求解m的最小值

將彈性模量、材料強度、材料安全系數、屈曲穩定系數代入(8)式，得到不同材料強度和屈曲穩定系數下的圓形圍堰最小厚徑比m；

(5.2)構造要求需要的圍堰最小厚度，單位:mm

(6)圍堰環撐豎向間距設計

根據荷載等分原理初步擬定環撐的第n層豎向間距h(n)，A1＝A2＝A3＝A4＝…＝An，此時可以認為每個支撐點反力基本一致；

q＝ρ·g·H (b)；

根據豎肋帶板計算的抗彎剛度，每個豎肋所受的正負彎矩滿足強度要求，M/W＝σ/K；

將(a)、(b)、(c)代入式(d)，求h(n)得：

將n＝1代入式(9)，得到第一層環撐間距

其余各層與h(1)的關系滿足：

(7)圍堰隔艙板間距擬定

設屈曲時壁板變形函數為ω(θ)；則撓曲線微分方程為：

M＝S·ω(θ)-Q·r·sin(θ) (b)

S＝q·r (c)

求解微分方程得：

考察邊界條件：

ω′(0)＝0；ω(0)≠0 (d)

ω(α)＝ω(-α)＝0 (e)

由式(d)可知

從條件(e)得以下方程組：(g)

故滿足上述方程組的條件為：

求解得

將式(11)簡化為：

式(12)中I值為外或內環板帶壁板有效寬度帶計算的抗彎剛度，注意局部屈曲穩定系數取K2，K2取4～5，n為圍堰隔艙板的數量；

q_cr≥K2·q；q＝ρ·g·H·ΔH (13)

根據式(12)、(13)綜合考慮剛度I和隔艙板數量n，按照上面的構造比例尺寸，對不同深度的圍堰進行了局部屈曲分析試算，推薦圍堰隔艙板數量n≥12；

(8)圍堰壁艙混凝土高度擬定

考慮到雙壁鋼圍堰水下回收不方便，扣除相關潛水切割、吊裝費用后回收殘值較低，圍堰壁艙混凝土高度設計到承臺頂面；

當雙壁鋼圍堰采用壁艙混凝土灌注時，該部分鋼圍堰本身的應力會急劇減小，相關圍堰的環撐間距調大，壁板厚度調小，按照0.4h(1)設置；

若圍堰需要切入河床一定深度，則需要考慮圍堰本身的下沉系數，再來確定圍堰壁艙混凝土澆筑高度，相關計算參數取值參考CECS137-2015第6章；

圍堰下沉系數應滿足下列公式要求：

式中：k_st——下沉系數；

G_ik——圍堰自重標準值，包括外加助沉重量的標準值，單位kN；

F_wk——下沉過程中水的浮托力標準值，單位kN；

F_fk——圍堰總摩阻力標準值，單位kN；

當下沉系數較大，或在下沉過程中遇有軟弱土層時，應根據實際情況進行圍堰的下沉穩定驗算，并滿足下列公式要求，或者采用提吊措施保障下沉穩定性：

式中：k_st,s——下沉穩定系數；

F′_fw,k——驗算狀態下水的浮托力標準值，單位kN；

F′_fw——驗算狀態下圍堰壁總摩阻力標準值，單位kN；

R_b——圍堰刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和，單位kN；

(9)圍堰封底厚度擬定

圍堰封底厚度的確定考慮兩個方面的因素；第一是考慮圍堰整體抗浮系數大于1；第二是考慮圍堰封底厚度抵抗水壓的彎矩；取兩者計算的最大值，然后加附加厚度D＝300～500mm；

(G_圍堰+G_封底+封底范圍內群樁樁側摩阻力)/圍堰總浮力≥1；混凝土與樁周摩阻力取100kPa；

水下封底混凝土承受的荷載應按施工中最不利的情況考慮，即在圍堰封底以后，圍堰內的水被排干，封底素混凝土將受到可能產生的向上最大水壓力的作用；由于水下封底混凝土質量較普通混凝土差，并與各樁基連成一個整體，應按簡支支承的雙向板計算，承受均布荷載時，跨中彎矩M₁、M₂可按下式計算：

式中a₁、a₂－彎矩系數，按下表取用；

p－靜水壓力形成的荷載，單位kN/m²；

l₁－矩形板的計算跨度，取最小跨，單位m；

雙向板彎矩系數表

1/l2]]>	1]]>	2]]>	1/l2]]>	1]]>	2]]>	1/l2]]>	1]]>	2]]>
0.50	0.0994	0.0335	0.70	0.0732	0.0410	0.90	0.0516	0.0434
0.55	0.0927	0.0359	0.75	0.0673	0.0420	0.95	0.0471	0.0432
0.60	0.0860	0.0379	0.80	0.0617	0.0426	1.00	0.0429
0.65	0.0795	0.0396	0.85	0.0564	0.0432

封底混凝土的厚度計算，根據求的彎矩M按下式計算：

式中h－封底混凝土厚度，單位mm；

K－安全系數，按抗拉強度計算的受壓、受彎構件為2.65；

M－板的最大彎矩，單位N·mm；

b－板寬，單位長度取1000mm；

f_ct－混凝土抗拉強度設計值，單位N/mm²，C20取1.1MPa；

D－考慮水下混凝土與圍堰下泥土摻混的增加厚度，取300～500mm；

(10)圍堰刃腳優化設計

圍堰刃腳構造，

圍堰刃腳構造計算表

2.一種基于權利要求1所述的圓形雙壁鋼圍堰的參數化設計方法的優化評價函數，針對具體的項目來說，圍堰的高度總是一致的，高度方向優化的方式主要通過增加豎向加勁肋剛度，加大水平環撐間距來實現，同時通過澆筑合適高度的壁艙混凝土來優化整體圍堰；

為考察圍堰的總體用鋼量指標隨著厚徑比以及斜撐數量和角度之間關系的變化，下面構造一個優化評價函數f來優化厚徑比和斜撐數量對圍堰用鋼量的影響：

式中：

l——單元長度，單位m；

N——單元內力，單位kN；

K——權重系數，受拉為1，受壓為2；

結構優化指標為f取最小值；

將參數l，N輸入函數f，然后將所有帶量綱單位的參數全部取值為1，

得到以下表格：

圓形圍堰參數表

推薦參數m	推薦參數n	型系數f	自重比
1/13	96	3.733945419	1.00
1/12	80	3.775509722	1.01
1/11	72	3.827159366	1.02
1/10	64	3.888713067	1.04
1/9	60	3.967367385	1.06
1/8	60	4.070541290	1.09

從上表可以看出，隨著圍堰厚徑比的增加，圍堰材料數量在緩慢增加，m值從1/13～1/8，自重比也隨之增加9％；

在考慮圍堰經濟性的同時，充分考慮圍堰整體穩定性、圍堰浮運和吸泥下沉要求，推薦的圍堰構型見下表：

圍堰構型選擇表